專利名稱：使用混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的電動機(jī)速度估算系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電感應(yīng)電動機(jī)，尤其涉及使用混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)來估算電動機(jī)速度。
背景技術(shù)：
在其中電動機(jī)驅(qū)動負(fù)載的廣泛的應(yīng)用中，電動機(jī)控制系統(tǒng)被廣泛用來控制電動機(jī)性能的各方面。感應(yīng)電動機(jī)是異步AC電動機(jī)，它具有帶有提供旋轉(zhuǎn)AC定子場的定子繞組的一定子，且一轉(zhuǎn)子附接到電機(jī)軸以便在該定子場內(nèi)旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)電動機(jī)一般包括所謂的鼠籠式轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子以小于旋轉(zhuǎn)定子場的旋轉(zhuǎn)速度的速度旋轉(zhuǎn)。定子磁場的旋轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感生電流，進(jìn)而形成使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向定子場旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)子磁場。對眾多電動機(jī)應(yīng)用，對電動機(jī)速度的控制是重要的，尤其是當(dāng)軸負(fù)載變化時。就此方面而言，起動期間的速度控制在眾多電動機(jī)控制應(yīng)用中尤為重要。
為了根據(jù)期望的速度調(diào)節(jié)電動機(jī)性能，有必要測量或估算轉(zhuǎn)子在任何給定時刻的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度。而且，在某些感應(yīng)電動機(jī)控制體系結(jié)構(gòu)中，軟起動器被用于在起動期間激勵定子繞組，一旦電動機(jī)達(dá)到正常工作速度之后，軟起動控制被旁路掉，以便最小化穩(wěn)態(tài)熱生成量。眾多常規(guī)的電動機(jī)控制系統(tǒng)采用機(jī)械耦合至電動機(jī)軸的某種形式的轉(zhuǎn)速計或其它傳感器設(shè)備來產(chǎn)生表示電動機(jī)速度的反饋信號，以便于閉環(huán)起動速度控制。然而，這樣的外部傳感器增加了電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的成本且需要維護(hù)。
提議并引入了無傳感器系統(tǒng)，它們通常采用基于模型的估算或基于測量定子電流諧波含量的速度估算。然而，使用這些系統(tǒng)的實(shí)際的電動機(jī)起動時間通常隨線電壓和電動機(jī)負(fù)載而變化，這使得在各種自動化系統(tǒng)中難以協(xié)調(diào)電動機(jī)起動與其它設(shè)備?；谀Ｐ偷姆椒ㄓ绕湟螂妱訖C(jī)參數(shù)中的變化以及電動機(jī)起動期間信號較弱而受損害?；诙ㄗ与娏髦C波的方法要求復(fù)雜的信號處理，且所測量的諧波與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此速度估算不能被快速更新。因此，存在對改進(jìn)的電動機(jī)控制和無傳感器速度估算技術(shù)以及用于電動機(jī)控制應(yīng)用，尤其是起動期間控制電動機(jī)速度的系統(tǒng)的持續(xù)需求。
發(fā)明概述現(xiàn)在概述本發(fā)明的一個或多個方面以便于對本發(fā)明的基本理解，其中該概述不是本發(fā)明的寬泛的概觀，而且既不旨在標(biāo)識本發(fā)明的特定元素也不描繪本發(fā)明的范圍。相反，該概述的主要目的在于，在后文中呈現(xiàn)的更詳細(xì)描述之前以簡化的形式呈現(xiàn)本發(fā)明的某些概念。本發(fā)明涉及對在無需轉(zhuǎn)速計或其它速度傳感器的情況下在起動期間控制AC感應(yīng)電動機(jī)速度尤其有用的基于混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)的速度估算和電動機(jī)控制技術(shù)。本發(fā)明在第一速度范圍上，諸如從0到全速的大約80％采用基于扭矩的MRAS誤差項(xiàng)，然后對第二速度范圍采用基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS誤差項(xiàng)，其中混合MRAS組件和閉環(huán)控制器用于提供估算出的速度，估算出的速度與一閾值比較來確定速度估算何時從扭矩MRAS切換到基于磁通量的MRAS。在某些實(shí)施例中，將MRAS誤差項(xiàng)之一提供給調(diào)節(jié)速度估算控制器，諸如比例積分(PI)控制器，其中該速度估算控制器以與定子或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)反向調(diào)整的至少一個速度估算控制器增益因子(例如，KI和/或KP)來生成速度估算，其中混合MRAS技術(shù)與以往的無傳感器電動機(jī)起動方法相比，對電動機(jī)參數(shù)的不準(zhǔn)確性或變化較不敏感，但同時仍保留無傳感器控制的成本和維護(hù)優(yōu)勢。
根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面，提供一種用于操作感應(yīng)電動機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。該驅(qū)動系統(tǒng)包括用于選擇性地將電動機(jī)引線耦合至AC電源的開關(guān)系統(tǒng)，以及用于在起動期間控制并估算電動機(jī)速度的電動機(jī)起動控制系統(tǒng)。該電動機(jī)起動控制系統(tǒng)包括混合MRAS組件、帶有驅(qū)動開關(guān)控制電路的輸出的電動機(jī)控制器和提供轉(zhuǎn)子速度估算的速度估算控制器、以及誤差選擇器，該誤差選擇器在轉(zhuǎn)子速度估算小于或等于第一閾值時提供來自基于扭矩的MRAS組件的速度估算控制器誤差輸入，而在所估算出的速度在該閾值之上時提供來自基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件的速度估算控制器誤差輸入。基于扭矩的MRAS組件提供表示計算出的扭矩值與估算出的扭矩值之差的第一誤差項(xiàng)，而基于磁通量的MRAS組件提供基于計算出的轉(zhuǎn)子磁通量與估算出的轉(zhuǎn)子磁通量之差的第二誤差項(xiàng)，它可被計算為向量積。速度估算控制器根據(jù)所選控制器誤差輸入提供起動期間的速度估算，且基于定子或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)來自適應(yīng)或調(diào)節(jié)一個或多個速度估算控制器增益因子。
在一個實(shí)施例中，該控制系統(tǒng)根據(jù)電流和電壓反饋值來對定子方程求值以得到計算出的轉(zhuǎn)子磁通量，并根據(jù)電流反饋值以及根據(jù)最近的轉(zhuǎn)子速度估算來對轉(zhuǎn)子方程求值以得到估算出的轉(zhuǎn)子磁通量?；谂ぞ氐腗RAS組件根據(jù)計算出的轉(zhuǎn)子磁通量來計算計算的扭矩值，并根據(jù)估算出的轉(zhuǎn)子磁通量來計算估算的扭矩值，然后提供計算與估算的扭矩值之差作為第一誤差項(xiàng)。在該示例中，基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件從該定子和轉(zhuǎn)子方程中提供計算的轉(zhuǎn)子磁通量和估算的轉(zhuǎn)子磁通量的向量積作為第二誤差項(xiàng)。該電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)也可包括選擇性將電動機(jī)引線連接至AC電源來旁路開關(guān)系統(tǒng)的旁路開關(guān)，以及當(dāng)轉(zhuǎn)子速度超出第二閾值時激活該旁路開關(guān)的旁路控制器。
本發(fā)明的其它方面提供一種用于在起動期間控制電動機(jī)速度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由根據(jù)控制器誤差輸入來提供轉(zhuǎn)子速度估算的速度估算控制器和根據(jù)期望的起動速度分布曲線并根據(jù)估算的電動機(jī)速度來提供用于在起動期間控制電動機(jī)速度的控制器輸出的電動機(jī)控制器組成。該系統(tǒng)還包括一混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)組件，其中基于扭矩的MRAS組件提供表示計算的扭矩值與估算的扭矩值之差的第一誤差項(xiàng)，而基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件提供表示計算的轉(zhuǎn)子磁通量與估算的轉(zhuǎn)子磁通量之差的第二誤差項(xiàng)。誤差選擇器與混合MRAS組件以及速度估算控制器耦合以向該速度估算控制器提供誤差輸入，其中當(dāng)轉(zhuǎn)子速度估算小于或等于第一閾值時提供第一誤差項(xiàng)作為控制器誤差輸入，而當(dāng)轉(zhuǎn)子速度估算大于第一閾值時提供第二誤差項(xiàng)作為控制器誤差輸入。
本發(fā)明的其它方面涉及一種用于估算電動機(jī)速度的混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)電動機(jī)速度估算系統(tǒng)。該混合MRAS系統(tǒng)包括速度估算調(diào)節(jié)器或控制器、基于扭矩和磁通量的MRAS組件以及誤差選擇器，其中該速度估算控制器根據(jù)控制器誤差輸入來提供轉(zhuǎn)子速度估算，且該控制器包括至少部分基于定子或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)來調(diào)整的一個或多個增益因子?；谂ぞ氐腗RAS組件提供表示計算的扭矩值與估算的扭矩值之差的第一誤差項(xiàng)，而基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件提供表示計算的轉(zhuǎn)子磁通量與估算的轉(zhuǎn)子磁通量之差的第二誤差項(xiàng)。誤差選擇器在轉(zhuǎn)子速度估算處于第一速度范圍中時根據(jù)第一誤差項(xiàng)向速度估算控制器提供誤差輸入，而在轉(zhuǎn)子速度估算處于第二速度范圍中時根據(jù)第二誤差項(xiàng)來提供誤差輸入。
本發(fā)明的其它方面涉及一種用于控制電動機(jī)速度的方法。該方法包括根據(jù)控制器誤差輸入來提供轉(zhuǎn)子速度估算、計算作為計算的扭矩值與估算的扭矩值之差的第一誤差項(xiàng)、計算作為計算的轉(zhuǎn)子磁通量與估算的轉(zhuǎn)子磁通量的向量積的第二誤差項(xiàng)、以及當(dāng)轉(zhuǎn)子速度估算處于第一速度范圍中時根據(jù)第一誤差項(xiàng)向控制器提供誤差輸入而當(dāng)轉(zhuǎn)子速度估算處于第二速度范圍中時根據(jù)第二誤差項(xiàng)來提供誤差輸入。在某些實(shí)施例中，該方法還包括至少部分地根據(jù)定子或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)來調(diào)整控制器的至少一個增益因子。
附圖簡述以下描述和附圖詳細(xì)描繪了本發(fā)明的某些說明性實(shí)現(xiàn)，它們示出可在其中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的原理的若干示例性方式。然而，所示示例不是本發(fā)明的多種可能實(shí)施例的窮舉。本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎的特征將在結(jié)合附圖考慮本發(fā)明時在本發(fā)明的以下詳細(xì)描述中描繪，附圖中

圖1是示出用于驅(qū)動感應(yīng)電動機(jī)的示例性電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的詳細(xì)示意圖，該系統(tǒng)包括用于在起動期間控制并估算電動機(jī)速度的基于混合MRAS的起動控制系統(tǒng)以及用于以全速操作電動機(jī)的旁路系統(tǒng)；圖2是示出圖1的基于MRAS的起動控制系統(tǒng)的速度估算系統(tǒng)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的示意圖；圖3是起動期間電動機(jī)速度與時間之間的關(guān)系的圖表，它示出根據(jù)一閾值在圖1和2的系統(tǒng)中在第一和第二范圍中對電動機(jī)速度的控制；圖4是示出用于在第一速度范圍中使用來自基于扭矩的MRAS系統(tǒng)的第一誤差項(xiàng)而在第二速度范圍中使用來自基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS的第二誤差項(xiàng)來進(jìn)行電動機(jī)起動控制和速度估算的示例性方法的流程圖；以及圖5A-5C是示出使用基于扭矩和基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS系統(tǒng)的示例性速度估算更新操作的詳細(xì)流程圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述現(xiàn)在參考附圖，后文中將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的若干實(shí)施例或?qū)崿F(xiàn)，附圖中相同的參考標(biāo)號用來指示全文中相同的元素，在后文中將在用于三相感應(yīng)電動機(jī)的起動控制的上下文中示出并描述本發(fā)明，盡管本發(fā)明不限于所示示例且可被用來控制任何數(shù)量的相的AC電動機(jī)。以下示出的實(shí)施例在起動期間采用對電動機(jī)速度的閉環(huán)控制，其中對第一范圍的速度使用基于扭矩的MRAS組件來獲得由調(diào)節(jié)控制器所使用的誤差值，然后對第二速度范圍使用基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件來獲得該誤差，從而提供混合MRAS速度估算和控制。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)該混合MRAS方法可在包括軟起動器和其它電動機(jī)控制設(shè)備的現(xiàn)有電動機(jī)控制裝置中容易地實(shí)現(xiàn)，且可促進(jìn)整個電動機(jī)起動過程中的勻速跟蹤性能，在該過程中可通過軟件更新來升級某些電動機(jī)控制驅(qū)動以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種特征以便實(shí)現(xiàn)此處示出和描述的混合MRAS概念。例如，當(dāng)定子電阻已知或可被測量時，該混合MRAS系統(tǒng)可被實(shí)現(xiàn)來產(chǎn)生良好的速度估算和控制性能以便于線性斜坡控制或用戶所期望的任何其它形式的期望的速度控制分布曲線。
盡管不希望被束縛于任何特定理論，但發(fā)明人利用了電動機(jī)的磁通量可從一組定子方程和一組轉(zhuǎn)子方程計算出的這一事實(shí)，如以下在圖5B和5C中所示，其中定子方程不涉及電動機(jī)速度因此可被看作是一參考模型。然而，轉(zhuǎn)子方程包括速度，因此被用作一可調(diào)整模型，其中電動機(jī)速度(例如，轉(zhuǎn)子速度)是該可調(diào)整模型中的參數(shù)。而且，發(fā)明人已理解，所估算的扭矩在整個起動過程的顯著主要部分中，即第一速度范圍上與速度估算誤差成正比，其中基于扭矩的MRAS組件可成功地用于提供該第一速度范圍中的閉環(huán)控制/估算誤差項(xiàng)。然而，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，對較高速度(例如，第二速度范圍中)該關(guān)系不成立，其中速度估算誤差對磁通量估算幾乎沒有影響，直到電動機(jī)速度處于該第二(較高)范圍中。本發(fā)明使用這些發(fā)現(xiàn)來為低速提供基于扭矩MRAS的控制，然后使用基于磁通量的MRAS組件來生成第二較高速度范圍中的誤差項(xiàng)，它可在電動機(jī)起動控制中使用，以便為無負(fù)載和有負(fù)載工作兩者實(shí)現(xiàn)任何期望的速度控制分布曲線或工作模式，包括但不限于電流限制模式、軟起動模式、利用腳踏起動(kickstart)的電流限制模式、利用腳踏起動的軟起動模式等。以下示出并描述的示例性混合MRAS技術(shù)采用定義第一與第二速度范圍之間的邊界的閾速度值，其中可使用任何合適的閾值。在一個示例中，該閾值可設(shè)成電動機(jī)全速的大約80％，對0到大約80％的額定速度使用基于扭矩的MRAS，而對第二80％～100％速度范圍使用基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS，其中所估算的速度用于在這兩個控制范圍之間切換。
而且，在這些示例中，將自適應(yīng)調(diào)節(jié)器或控制器自動調(diào)整成與定子或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)的平方成反比。在以下示出的示例中，在基于扭矩的階段中從參考模型中移除漏感，其中所計算出的扭矩基本上準(zhǔn)確，因?yàn)槎ㄗ与娮鑂S是參考模型中僅有的電動機(jī)參數(shù)，而RS被發(fā)現(xiàn)在起動期間相當(dāng)恒定。定子方程產(chǎn)生定子磁通量項(xiàng)ΨS，且PI型控制器的比例和積分增益KP和KI基于定子磁通量的平方的倒數(shù)1/|ΨS|2(或基于轉(zhuǎn)子磁通量的平方的倒數(shù)1/|Ψr|2)來調(diào)整，使得對控制器增益的調(diào)整基本上不受電動機(jī)參數(shù)變化的影響，因?yàn)槠溆嬎銉H涉及定子電阻RS，而RS可被認(rèn)為在起動期間恒定，其中RS可使用構(gòu)造定子方程的任何合適的技術(shù)來測量或估算。在基于轉(zhuǎn)子磁通量的控制范圍中，電動機(jī)逼近全速，其中其余的電動機(jī)參數(shù)逼近正常值，借此速度估算提供準(zhǔn)確的速度值，直到電動機(jī)過渡到穩(wěn)態(tài)工作之后很久。
圖1和2示出用于使用來自三相AC電源6的電力來驅(qū)動多相感應(yīng)電動機(jī)4的示例性電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)2。系統(tǒng)2包括帶有分別耦合在AC電源6的電源線A、B和C與電動機(jī)4的引線R、S和T之間的三對SCR開關(guān)設(shè)備10a、10b、10c的開關(guān)系統(tǒng)10，各個開關(guān)設(shè)備用于根據(jù)相應(yīng)的開關(guān)控制信號22來選擇性地將相應(yīng)的電動機(jī)引線耦合到AC電源。以這種方式，供電電壓的部分可應(yīng)用于電動機(jī)繞組以生成/形成電動機(jī)相電流IR、IS和IT。每一相耦合還分別包括旁路開關(guān)12a、12b和12c，以便通過根據(jù)來自旁路控制組件14的旁路控制信號16將電動機(jī)引線R、S和T連接到AC電源線A、B和C來選擇性地旁路開關(guān)系統(tǒng)10及其開關(guān)對10a、10b和10c。開關(guān)系統(tǒng)10由基于混合MRAS的起動控制系統(tǒng)20操作，用于在起動期間控制電動機(jī)速度，它包括用于使用基于扭矩和轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件34和36來提供速度估算ω′r的基于混合MRAS的速度估算系統(tǒng)20a。盡管以SCR型開關(guān)10a-10c示出，但可在系統(tǒng)10中以及為旁路開關(guān)12使用任何類型的電開關(guān)設(shè)備。
起動控制系統(tǒng)20及其速度估算系統(tǒng)20a可被實(shí)現(xiàn)為任何合適的硬件、軟件和/或其組合，其中控制系統(tǒng)20包括開關(guān)控制電路24，該電路帶有用于根據(jù)來自電動機(jī)控制器25的控制輸出信號25a來提供多個開關(guān)控制信號22以在電動機(jī)4的起動期間控制開關(guān)系統(tǒng)10的開關(guān)設(shè)備10a、10b和10c的操作的電路，電動機(jī)控制器25可以是用于根據(jù)驅(qū)動過程反饋18以及來自速度估算系統(tǒng)20a的估算出的電動機(jī)速度信號ω′r來控制電動機(jī)的任何合適的控制器或調(diào)節(jié)器25。此外，電動機(jī)控制器25可在多個不同模式或控制方案中操作，包括控制扭矩、速度等，其中示例性電動機(jī)控制器25用于根據(jù)用戶定義的起動速度分布曲線28來在起動期間控制感應(yīng)電動機(jī)的速度。開關(guān)控制電路24根據(jù)電動機(jī)控制輸出25a來提供適當(dāng)?shù)拈_關(guān)信號22來操作電動機(jī)4，該輸出可包括脈寬調(diào)制或其它開關(guān)定時控制。
混合MRAS速度估算系統(tǒng)20a包括提供每秒弧度、每分種轉(zhuǎn)數(shù)或其它合適的單位的速度估算ω′r的PI控制器26，它指示任何給定時刻電動機(jī)4的速度。就此方面而言，速度估算可以按相當(dāng)高的采樣速率來執(zhí)行，諸如在一個示例中的每隔100us，而對電動機(jī)控制器25的速度控制在某些實(shí)施例中可以按較慢的速率來執(zhí)行，諸如每隔50ms。速度估算系統(tǒng)20a中的PI控制器26在起動期間及之后根據(jù)控制誤差輸入e來提供速度估算ω′r。速度估算系統(tǒng)20a還包括混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)組件38，它帶有提供表示計算的扭矩值34b(圖2中的扭矩T)以及估算的扭矩值34a(圖2中的T′)之間的差或誤差的第一誤差項(xiàng)ε1的基于扭矩的MRAS組件34?；旌螹RAS組件38還包括提供表示計算的轉(zhuǎn)子磁通量36b(圖2中的Ψrd、Ψrq)與估算的轉(zhuǎn)子磁通量36a(圖2中的Ψ′rd、Ψ′rq)之間的差或誤差的第二誤差項(xiàng)ε2的基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件36，該誤差項(xiàng)可計算為向量積，其中計算和估算的多相磁通量項(xiàng)Ψrd、Ψrq和Ψ′rd、Ψ′rq以任意雙軸參考系(d-q參考系)來表示。這兩個MRAS組件34和36向提供比較功能44和開關(guān)功能46的誤差選擇器40(圖2)提供相應(yīng)的誤差項(xiàng)ε1和ε2，以向速度估算PI控制器26提供誤差輸入e，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度估算ω′r小于或等于第一閾值TH1 42(第一速度范圍)時該誤差輸入作為第一誤差項(xiàng)ε1，而當(dāng)轉(zhuǎn)子速度估算大于閾值42(第二速度范圍)時它作為第二誤差項(xiàng)ε2?？墒褂萌魏伍撝礣H1 42，例如一個實(shí)施例中為電動機(jī)4的額定全速的大約80％。
速度估算控制器26以一般連續(xù)的方式工作以提供電動機(jī)速度估算ω′r，其中開關(guān)系統(tǒng)10向控制系統(tǒng)20提供來自驅(qū)動過程的反饋電流和電壓值18，諸如相或線電壓、定子電流值等。速度估算系統(tǒng)20a包括定子方程32和轉(zhuǎn)子方程30以及已知或估算的值(例如，電阻、電感、極點(diǎn)P的數(shù)目等)，用于使用電流和電壓反饋18作為輸入來計算計算和估算的磁通量和扭矩值，其中計算和估算的磁通量值Ψ也可以用d-q系格式來表示。如圖1中所示，轉(zhuǎn)子速度估算ω′r由PI速度估算控制器26提供給轉(zhuǎn)子方程30，并提供給電動機(jī)控制器25和旁路控制組件14，后者在轉(zhuǎn)子速度估算ω′r大于第二閾值TH2 14a時選擇性地提供旁路控制信號16來旁路開關(guān)系統(tǒng)10。而且，如最佳在圖2中所示，定子方程30的解X(例如，計算的轉(zhuǎn)子磁通量值Ψrd、Ψrq)作為輸入被提供給基于扭矩的MRAS組件34和基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件36。此外，從定子方程32將定子磁通量模數(shù)的平方的倒數(shù)1/|ΨS|2(例如，或者轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)的平方的倒數(shù)1/|Ψr|2)提供給速度估算控制器26用于調(diào)節(jié)PI控制器的增益KI和KP。
在工作中，電動機(jī)起動控制系統(tǒng)20中的速度估算系統(tǒng)20a根據(jù)電流和電壓反饋值18來對定子方程32求值以得到計算的轉(zhuǎn)子磁通量36b(如最佳在圖2中所示，d-q參考系中的Ψrd、Ψrq)，并根據(jù)反饋值18以及根據(jù)轉(zhuǎn)子速度估算ω′r來對轉(zhuǎn)子方程30求值以得到估算的轉(zhuǎn)子磁通量36a(Ψ′rd、Ψ′rq)。系統(tǒng)20a還計算定子磁通量模數(shù)|ΨS|2或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)|Ψr|2中的任何一個。基于扭矩的MRAS組件34進(jìn)而根據(jù)計算的轉(zhuǎn)子磁通量36b(Ψrd、Ψrq)來計算計算的扭矩值T，并根據(jù)估算的轉(zhuǎn)子磁通量36a(Ψ′rd、Ψ′rq)來計算估算的扭矩值T′?；谂ぞ氐腗RAS組件34然后提供第一誤差項(xiàng)ε1，作為分別為計算和估算的扭矩值36b與36a之差(ε1＝T-T′)。基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件36提供第二誤差項(xiàng)ε2，作為計算的轉(zhuǎn)子磁通量36b(Ψrd、Ψrq)與估算的轉(zhuǎn)子磁通量36a(Ψ′rd、Ψ′rq)的向量積。
也參考圖3，在圖表50中提供了曲線圖52，它示出電動機(jī)速度ω′r與時間t之間的關(guān)系，其中系統(tǒng)2在從0到第一閾速度值TH1(圖1和2中的閾值42)的第一速度范圍54中提供使用第一誤差項(xiàng)ε1的基于扭矩MRAS的速度估算和速度控制。當(dāng)在第二速度范圍56中估算的速度ω′r超出閾值TH1時，速度估算控制器26使用第二誤差項(xiàng)ε2(基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS控制)，直到速度ω′r超出第二(旁路)閾值2(圖1中的TH2 14a)，此時旁路控制14提供旁路控制信號16以激活旁路開關(guān)12a-12c，其中旁路閾值TH2一般位于第一閾值TH1之上，較佳地接近電動機(jī)4的全速FS額定值?？刂葡到y(tǒng)20可用于雙范圍控制和/或速度估算技術(shù)，該技術(shù)使用混合MRAS方法來實(shí)現(xiàn)整個起動速度范圍中的基本勻速的跟蹤性能而無需外部轉(zhuǎn)速計或其它傳感器，也不會遭受與常規(guī)的諧波測量估算技術(shù)相關(guān)聯(lián)的噪聲。因此，系統(tǒng)20便于軟起動器和其它電動機(jī)控制應(yīng)用中對起動速度分布曲線的高級無傳感器控制。
現(xiàn)在參考圖4-5C，混合MRAS方法的電動機(jī)控制和速度估算方面在圖4中的流程圖70中進(jìn)一步示出，它示出用于在第一速度范圍(圖3中的范圍54)中使用來自基于扭矩的MRAS系統(tǒng)(例如，以上的34)的第一誤差項(xiàng)ε1而在第二速度范圍(56)中使用來自基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS(36)的第二誤差項(xiàng)ε1的電動機(jī)起動控制和速度估算的示例性方法。盡管被示為單個流程，但可以理解，速度估算和電動機(jī)控制循環(huán)可用不同的更新速率分開處理，例如其中速度控制循環(huán)一般以低于速度估算循環(huán)的速率來處理。而且，基于混合MRAS的速度估算過程即使在起動過程完成之后(例如，在旁路工作期間)也可繼續(xù)工作，以便為穩(wěn)態(tài)電動機(jī)控制或數(shù)據(jù)采集提供無傳感器的速度值反饋。過程70在72處開始，其中使用來自基于扭矩的MRAS系統(tǒng)(MRAS 34)的第一誤差項(xiàng)ε1來估算轉(zhuǎn)子速度，且在74處根據(jù)所期望的電動機(jī)起動速度分布曲線(圖1中的速度分布曲線28)和速度估算ω′r來控制電動機(jī)相位開關(guān)(例如，圖1中的開關(guān)10a、10b和10c)。在76處作出關(guān)于估算的轉(zhuǎn)子速度ω′r是否大于閾值TH1(例如，在一個示例中大于大約80％的額定速度)的判斷。如果否(76處為否)，則方法70返回至74以繼續(xù)根據(jù)誤差項(xiàng)ε1的電動機(jī)控制和基于扭矩的MRAS速度估算。而一旦速度ω′r超出TH1(76處為是)，則進(jìn)入第二速度范圍(例如，圖3中的范圍56)，且起動過程繼續(xù)至圖4中的78，其中使用來自基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS系統(tǒng)(MRAS 36)的第二誤差項(xiàng)ε2來估算轉(zhuǎn)子速度ω′r，并根據(jù)期望的速度分布曲線和速度估算ω′r來控制電動機(jī)開關(guān)。在80處，將速度估算ω′r與第二(例如，旁路)閾值TH2(例如，圖1中的旁路閾值14a)比較，且如果速度仍處于第二范圍中(80處為否)，則方法70返回至78以便繼續(xù)根據(jù)誤差項(xiàng)ε2的基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS速度估算和相應(yīng)的電動機(jī)速度控制。當(dāng)速度估算ω′r超出TH2(80處為是)時，在82處起動控制開關(guān)被旁路，而電動機(jī)引線被連接至電源引線(例如，被旁路)以便在84處完成電動機(jī)起動過程70。
圖5A-5C示出使用基于扭矩和磁通量的混合MRAS系統(tǒng)20a的速度估算更新操作100的示例。速度估算更新過程100在102處開始，其中在104處獲取最近的電流和電壓反饋值以便在106和108中使用來對定子和轉(zhuǎn)子方程(例如，以上圖1的控制器20中的方程32和30)求值或求解。在106處，使用反饋值來對定子方程求值以分別獲得計算的轉(zhuǎn)子磁通量36b(Ψrd、Ψrq)和扭矩值T 34b。如最佳在圖5B中所示，在106處使用對電動機(jī)端電壓VD、VQ和定子電流ID、IQ以及互感系數(shù)Lm、轉(zhuǎn)子和定子電感Lr和Ls和定子電阻Rs的反饋值18來對定子方程32求值以獲得計算的轉(zhuǎn)子磁通量值Ψrd、Ψrq，其中Lm、Lr、Ls和Rs的值可以是測量值或可基于所控制的特定電動機(jī)4來估算或指定。然后在106b處，基于扭矩的MRAS組件34基于計算的轉(zhuǎn)子磁通量值Ψrd、Ψrq36b、反饋值18和定子電阻Rs來計算計算的扭矩值T 34b?；剡^來參考圖5A，在108處使用電流反饋值18和最近的轉(zhuǎn)子速度估算ω′r來對轉(zhuǎn)子方程30求值以獲取估算的轉(zhuǎn)子磁通量和扭矩值36a和34a(圖1中的Ψ′rd、Ψ′rq和T′)。如最佳在圖5C中示出，在108a處轉(zhuǎn)子方程30采用反饋值18(ID和IQ)以及速度估算ω′r和電動機(jī)參數(shù)Lm、Lr和Rr，從中可計算出磁通量值36aΨ′rd、Ψ′rq。在108b處，基于扭矩的MRAS組件34然后使用電動機(jī)參數(shù)Lm、Lr和估算的轉(zhuǎn)子磁通量值36aΨ′rd、Ψ′rq來計算估算的扭矩值T′。
再次參考圖5A，一旦從106和108處的對定子和轉(zhuǎn)子方程32和30的求值中分別獲取了計算和估算的磁通量和扭矩值之后，速度估算更新過程100在110處繼續(xù)，在那里分別從計算和估算的扭矩值T 34b和T′34a中計算第一誤差項(xiàng)ε1(例如由基于扭矩的MRAS組件34計算)，其中在所示的實(shí)施例中ε1被計算為T-T′。在112處，分別從計算和估算的轉(zhuǎn)子磁通量值Ψrd、Ψrq36b和Ψ′rd、Ψ′rq36a計算第二誤差項(xiàng)ε2(例如，由基于磁通量的MRAS組件36計算)。在該示例中，第二誤差項(xiàng)ε2被計算為向量積Ψrq*Ψ′rd-Ψrd*Ψ′rq。在113處，計算磁通量模數(shù)以供估算控制器使用，它可以是定子磁通量模數(shù)|ΨS|或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)|Ψr|中的任何一個。然后在114處使用誤差項(xiàng)ε1和ε2之一來估算當(dāng)前速度，其中控制器26(圖1)基于控制器增益參數(shù)KP26a和KI26b(圖1)、定子磁通量模數(shù)的平方的倒數(shù)1/|ΨS|2或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)的平方的倒數(shù)1/|Ψr|2中的任何一個、以及控制器誤差輸入e(基于來自上一次更新循環(huán)的當(dāng)前速度估算ω′r被選為ε1或ε2中的任一個)來生成對速度ω′r的新的估算，然后在116處完成估算更新。在示出的示例中，根據(jù)磁通量模數(shù)按經(jīng)修改的PI控制輸出方程ω′r＝(KP+(KI/S))*e/(|ΨS|2)來修改增益參數(shù)KP26a和KI26b，其中對ω′r小于或等于TH1，e＝ε1，對ω′r大于TH2，e＝ε2。以此方式，控制器26使用以基于扭矩或磁通量的MRAS組件中的任一個為基礎(chǔ)的雙范圍混合MRAS技術(shù)來提供電動機(jī)速度估算ω′r，其中KI和KP根據(jù)磁通量模數(shù)的平方的倒數(shù)來修改或調(diào)整。
以上示例僅示出本發(fā)明的各方面的若干可能的實(shí)施例，其中當(dāng)本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員閱讀和理解本說明書及附圖之后將想到等效更改和/或修改。特別是對于由上述組件(部件、設(shè)備、系統(tǒng)、電路等)執(zhí)行的各種功能，除非另外指出，否則用于描述這些組件的術(shù)語(包括對“裝置”的引用)旨在對應(yīng)于任何組件，諸如硬件、軟件或其組合，它們執(zhí)行所述組件的指定功能(即，功能上等效)，即使與在所示出的本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)中執(zhí)行該功能的所公開結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上不等效。此外，盡管僅參考若干實(shí)現(xiàn)之一公開了本發(fā)明的特定特征，但如有需要或?qū)θ魏谓o定或特定應(yīng)用有利，這樣的特征可與其它實(shí)現(xiàn)的一個或多個其它特征組合。而且，就在詳細(xì)描述和/或權(quán)利要求書中使用術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“帶有”或其變型的意義而言，這樣的術(shù)語旨在以類似與術(shù)語“包含”的方式為包含性的。
權(quán)利要求
1.一種用于操作AC感應(yīng)電動機(jī)的AC電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，所述電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括開關(guān)系統(tǒng)，包括耦合在AC電源與感應(yīng)電動機(jī)之間的多個開關(guān)設(shè)備，所述各個開關(guān)設(shè)備用于根據(jù)相應(yīng)的開關(guān)控制信號選擇性地將相應(yīng)的電動機(jī)引線耦合至所述AC電源；以及電動機(jī)起動控制系統(tǒng)，用于在起動期間控制所述電動機(jī)速度，所述電動機(jī)起動控制系統(tǒng)包括混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)組件，包括基于扭矩的MRAS組件，它提供表示計算的扭矩值與估算的扭矩值之差的第一誤差項(xiàng)；以及基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件，它提供表示計算的轉(zhuǎn)子磁通量與估算的轉(zhuǎn)子磁通量之差的第二誤差項(xiàng)；速度估算控制器，它根據(jù)控制器誤差輸入來提供轉(zhuǎn)子速度估算；電動機(jī)控制器，它根據(jù)期望的起動速度分布曲線并根據(jù)所述轉(zhuǎn)子速度估算來提供用于在起動期間控制所述電動機(jī)速度的電動機(jī)控制器輸出；開關(guān)控制電路，它根據(jù)所述控制器輸出在所述電動機(jī)的起動期間提供多個開關(guān)控制信號來控制所述開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備的操作；以及誤差選擇器，它操作上與所述混合MRAS組件以及所述速度估算控制器耦合以向所述速度估算控制器提供所述誤差輸入，所述誤差選擇器在所述轉(zhuǎn)子速度估算小于或等于第一閾值時提供所述第一誤差項(xiàng)作為所述控制器誤差輸入，而在所述轉(zhuǎn)子速度估算大于所述第一閾值時提供所述第二誤差項(xiàng)作為所述控制器誤差輸入。
2.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于通過根據(jù)旁路控制信號將所述電動機(jī)引線連接至所述AC電源來選擇性地旁路所述開關(guān)系統(tǒng)的旁路開關(guān)；以及從所述速度估算控制器接收所述轉(zhuǎn)子速度估算并在所述轉(zhuǎn)子速度估算大于第二閾值時提供旁路所述開關(guān)系統(tǒng)的所述旁路控制信號的旁路控制組件。
3.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述電動機(jī)起動控制系統(tǒng)根據(jù)電流和電壓反饋值來對定子方程求值以得到計算的轉(zhuǎn)子磁通量，并根據(jù)電流和電壓反饋值以及根據(jù)所述轉(zhuǎn)子速度估算來對轉(zhuǎn)子方程求值以得到估算的轉(zhuǎn)子磁通量；所述基于扭矩的MRAS組件根據(jù)所述計算的轉(zhuǎn)子磁通量來計算計算的扭矩值，并根據(jù)所述估算的轉(zhuǎn)子磁通量來計算估算的扭矩值，然后提供作為所述計算與估算的扭矩值之差的所述第一誤差項(xiàng)；以及所述基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件提供作為所述計算的轉(zhuǎn)子磁通量和估算的轉(zhuǎn)子磁通量的向量積的所述第二誤差項(xiàng)。
4.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述電動機(jī)起動控制系統(tǒng)計算定子磁通量模數(shù)和轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)之一；所述速度估算控制器是帶有分別為KI和KP的比例和積分增益的比例積分(PI)控制器；且所述速度估算控制器根據(jù)所述定子或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)的平方的倒數(shù)來調(diào)整KI和KP。
5.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述速度估算控制器中的至少一個增益值至少部分地根據(jù)定子磁通量模數(shù)和轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)之一來調(diào)整。
6.一種用于在起動期間控制電動機(jī)的速度的起動控制系統(tǒng)，包括速度估算控制器，它根據(jù)控制器誤差輸入來提供轉(zhuǎn)子速度估算；混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)組件，它包括提供表示計算的扭矩值與估算的扭矩值之差的第一誤差項(xiàng)的基于扭矩的MRAS組件，以及提供表示計算的轉(zhuǎn)子磁通量與估算的轉(zhuǎn)子磁通量之差的第二誤差項(xiàng)的基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件；誤差選擇器，它操作上與所述混合MRAS組件以及所述速度估算控制器耦合以向所述速度估算控制器提供誤差輸入，所述誤差選擇器在所述轉(zhuǎn)子速度估算小于或等于第一閾值時提供所述第一誤差項(xiàng)作為所述控制器誤差輸入，而在所述轉(zhuǎn)子速度估算大于所述第一閾值時提供所述第二誤差項(xiàng)作為所述控制器誤差輸入；以及電動機(jī)控制器，它根據(jù)期望的起動速度分布曲線并根據(jù)所述轉(zhuǎn)子速度估算來提供用于在起動期間控制所述電動機(jī)速度的控制器輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的起動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述起動控制系統(tǒng)根據(jù)電流和電壓反饋值來對定子方程求值以得到計算的轉(zhuǎn)子磁通量，并根據(jù)電流和電壓反饋值以及根據(jù)所述轉(zhuǎn)子速度估算來對轉(zhuǎn)子方程求值以得到估算的轉(zhuǎn)子磁通量，其中所述基于扭矩的MRAS組件根據(jù)所述計算的轉(zhuǎn)子磁通量來計算計算的扭矩值，根據(jù)所述估算的轉(zhuǎn)子磁通量來計算估算的扭矩值，然后提供作為所述計算與估算的扭矩值之差的所述第一誤差項(xiàng)；且其中所述基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件提供作為所述計算的轉(zhuǎn)子磁通量和估算的轉(zhuǎn)子磁通量的向量積的所述第二誤差項(xiàng)。
8.一種用于估算電動機(jī)的速度的混合模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)電動機(jī)速度估算系統(tǒng)，包括速度估算控制器，它根據(jù)控制器誤差輸入來提供轉(zhuǎn)子速度估算，所述控制器包括至少部分地根據(jù)定子磁通量模數(shù)或轉(zhuǎn)子磁通量模數(shù)來調(diào)整的至少一個增益因子；基于扭矩的MRAS組件，它提供表示計算的扭矩值與估算的扭矩值之差的第一誤差項(xiàng)；基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件，它提供表示計算的轉(zhuǎn)子磁通量與估算的轉(zhuǎn)子磁通量之差的第二誤差項(xiàng)；以及誤差選擇器，它在所述轉(zhuǎn)子速度估算處于第一速度范圍中時根據(jù)所述第一誤差項(xiàng)向所述速度估算控制器提供誤差輸入，而在所述轉(zhuǎn)子速度估算處于第二速度范圍中時根據(jù)所述第二誤差項(xiàng)來提供所述誤差輸入。
9.如權(quán)利要求8所述的電動機(jī)速度估算系統(tǒng)，其特征在于，所述基于扭矩的MRAS組件計算所述計算的扭矩值和估算的扭矩值，并提供作為所述計算與估算的扭矩值之差的所述第一誤差項(xiàng)，且其中所述基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件提供作為所述計算的轉(zhuǎn)子磁通量與估算的轉(zhuǎn)子磁通量的向量積的第二誤差項(xiàng)。
10.一種用于控制電動機(jī)速度的方法，所述方法包括根據(jù)控制器誤差輸入來提供轉(zhuǎn)子速度估算；根據(jù)所述轉(zhuǎn)子速度估算并根據(jù)期望的速度分布曲線來提供控制器輸入；根據(jù)所述控制器輸入來控制所述電動機(jī)速度；計算作為計算的扭矩值與估算的扭矩值之差的第一誤差項(xiàng)；計算作為計算的轉(zhuǎn)子磁通量與估算的轉(zhuǎn)子磁通量的向量積的第二誤差項(xiàng)；以及當(dāng)所述轉(zhuǎn)子速度估算處于第一速度范圍中時根據(jù)所述第一誤差項(xiàng)來提供所述誤差輸入，而當(dāng)所述轉(zhuǎn)子速度估算處于第二速度范圍中時根據(jù)所述第二誤差項(xiàng)來提供所述誤差輸入。
全文摘要
提供了用于控制電動機(jī)起動速度以及用于在起動期間估算電動機(jī)速度的電動機(jī)驅(qū)動器、電動機(jī)速度控制器、電動機(jī)速度估算系統(tǒng)及方法，其中速度估算控制器對第一電動機(jī)速度范圍基于來自基于扭矩的MRAS組件的第一誤差項(xiàng)來提供轉(zhuǎn)子速度估算，并對第二速度范圍基于來自基于轉(zhuǎn)子磁通量的MRAS組件的第二誤差項(xiàng)來提供轉(zhuǎn)子速度估算。
文檔編號G05B13/04GK101039088SQ20071008767
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者陸?；? 錢巍 申請人:洛克威爾自動控制技術(shù)股份有限公司